Bài giảng Vật lý - Bài 18: Máy biến thế và tải điện đi xa

Môn Vật Lý Bài 18 : Máy biến thế và tải điện đi xa A. Trả lời câu hỏi kì trước B. 1/ Chứng minh Id = 3Ip + Ta chú ý rằng: Máy p một đi m đầu và một đ được 3 mạch một pha + Nếu tại một thời điểm ở A có giá trị i1 thì khi sẽ lệch pha với i1 là 2 Π + Ở mạch tiêu thụ: Khi dòng điện i1 đi vào ì dòng điện i2 đi vào B, Dòng điện i3 đi vào C, Nếu mắc tam giác thì A khi đó dễ thấy idây +i3 Cách mắc tam giác chỉ ⇒ I1 = I3 và các dòng 3I "! H 2P/3 0 hát ba pha là tổng hợp của 3 máy phát 1 pha trong đó mỗi cuộn dây có iểm cuối xác định. Nếu mắc mỗi pha với một mạch ngoài riêng rẽ thì ta ể Tr T ườn phân biệt. nào đó dòng điện phát ra đó dòng điện đi ra từ B và C / 3 A, ra X ra Y ra Z sẽ được nối với Z, = i1 hay idây = i1 – i3. dùng khi tiêu thụ điện điện lệch pha nhau 2 / 3Π . A I1 x Y Dây pha i I3 Z A I1 C I2 Z C B y 1I "! Từ công thức dayI = ! chứng minh được góc 3I "! là /3π ⇒ 1OI∆ - I dây hầy giáo Đỗ Lệnh Điện g PTTH Hà Nội – Amsterdam. ( )1I I3+ − "! "! ta dễ dàng xen giữa các véctơ 1I "! và - 3I "! đều. ⇒ dI = 2OH = 3I− """! 2 . 1I . 3 3 2 d I Ip⇔ = 2/ Khái niệm dây trung hoà hay dây “mát”: Như chúng ta đã biết: Trong thực tế, người ta thường sản xuất dòng 3 pha và ở mạch tiêu thụ người ta mắc mạch 3 pha theo hình sao, do đó ở mạch điện thực tế luôn có dây trung hoà mà dân gian thường gọi là dây “mát” B.Bài giảng: Máy biến thế và vấn đề tải điện đi xa I/ Máy biến thế. 1) Nguyên tắc: sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ. + Cấu tạo: - Lõi sắt ghép bởi nhiều lá cách điện - 2 cuộn dây có số vòng khác nhau. Các cuộn dây có R rất nhỏ và hệ số tự cảm L lớn. + Hoạt động: Đặt vào cuộn sơ cấp: u1 ⇒ từ thông biến thiên làm xuất hiện suất điện động cảm ứng 11 N de dt φ =− Nhờ có lõi sắt, từ thông được truyền toàn vẹn sang cuộn 2 ⇒ cuộn 2 xuất hiện 22 N de dt φ =− . Vậy 1 2 2 e N e N = 1 . Nếu bỏ qua các điện trở (như cấu tạo của biến thế đã nêu) thì u 1 1 2 2 e N e N ≈ = 1 1 2 2 U N U N ⇒ = Máy đã làm thay đổi hiệu điện thế từ cuộn 1 sang cuộn 2 , vì vậy được gọi là máy biến thế. 2/ Đặc điểm của máy biến thế: + Tần số dòng điện ở 2 cuộn dây bằng nhau: f1 = F2 + Nếu không có hao phí: 1 1 2 2 U N U N = và 1 2 2 1 Z N Z N = Nếu có hao phí thì ta phải tìm hiệu điện thế có ích bằng cách trừ đi phần hao phí. Khi đó chỉ hiệu điện thế có ích được được biến đổi qua biến thế. Ví dụ 1: Một máy biến thế dùng để hạ thế từ 220 v xuống 60v. Để đo số vòng của các cuộn dây, người ta quấn thêm vào lõi sắt 30 vòng dây và đo được ở đó hiệu điện thế U3 = 4v. a) Coi biến thế là lý tưởng. Tình số vòng của các cuộn dây. Môn Vật Lý Thầy giáo Đỗ Lệnh Điện Trường PTTH Hà Nội – Amsterdam. b) Trường hợp biến thế không lý tưởng, đặt vào cuộn sơ cấp U1 =220v. hãy tính hi thế lấy ra ở cuộn thứ cấp lúc mạch hở trong hai trường hợp sau: 1. Cuộn sơ cấp có L=1H; điện trở R =300 Ω 2. Cuộn sơ cấp có L= 1H, điện trở R= 50 Ω Biết f= 50 HZ. Bỏ qua hao phí ở lõi sắt, Giải a) Tính số vòng dây. Khi quấn thêm cuộn dây N3 = 30 vòng thì cuộn 1 là cuộn sơ cấp, cuộn 3 là cuộn th ⇒ 1 1 1 1 3 3 3 3 220. 30. 1650 4 U N UN N U N U = ⇔ = = = vòng + Từ 1 1 12 1 2 2 2 60. 1650. 450 220 U N UN N U N U = ⇔ = = = vòng b) Tính U2 ở cuộn dây thứ cấp Khi cuộn sơ cấp có điện trở thì một phần hiệu điện thế bị hao phí trên điện trở R, phần biến đối qua biến thế chỉ là hiệu điện thế cảm kháng ZL. 1 2 2 2 2 .L L U N NU U U N N = ⇔ = 1 1. Cuộn sơ cấp có L=1H ; R= 300 Ω: Cảm kháng ZL = L 2πf = 1.2.3,14.50 = 314 Ω 22 2 2 1 1 1 1 300 314 434,3 220. .314 159 434,3 L L L L Z R Z UZ Z v Z = + = + ≈ = = = ≈U I Ω ⇒ Hiệu điện thế lấy ra ở cuộn thứ cấp 2 159. 43,41650 = = v U không có điện trở thì U ; khi cuộn sơ cấp có R =3 chỉ còn 43,4 v 2 60= 450 N3 V ~ • • N1 N2 N1 • U2 • • • ~ U1 N1 2. Cuộn sơ cấp có L = 1H; R= 50 Ω Môn Vật Lý T TrườnNhư vậy nếu 00 Ω thì hiệu đ v hầy giáo Đỗ Lệ g PTTH Hà Nộiứ cấpcuộn sơ cấ iện thế lấy nh Điện – Amsterdap ra m. 22 2 2 2 50 314 318LZ R Z= + = + ≈ Ω 1 2 220 .314 217,2 318L L L UU IZ Z Z = = = ≈ v ở cuộn thứ cấp 1 2 2 450217, 2. 59, 2 1650L NU U N = = ≈ v Như vậy khi cuộn sơ cấp có R<< ZL thì hao phí sẽ không đáng kể và hiệu điện thế lấy ra ở cuộn thứ cấp gần giống như trường hợp không có hao phí. Ví Dụ 2 Người ta định quấn một máy hạ thế mà cuộn sơ cấp gồm 2640 vòng mắc vào hiệu điện thế 220V . Cuộn thứ cấp dự định lấy ra các hiệu điện thế 12 V 24V và 36 V. a) Bỏ qua hao phí ở biến thế. Tính số vòng tối thiểu của cuộn thứ cấp, vẽ sơ đồ tương ứng. b) Do cuộn sơ cấp có điện trở, khi đặt vào cuộn sơ cấp U1 = 220 V thì hiệu điện thế lớn nhất lấy ra ở cuộn thứ cấp là U2 = 35 V . Tính tỷ số giữa hiệu điện trở R và cảm kháng ZL ở cuộn sơ cấp. Giải : • • U1 ~ 0 1 2 a) Tính số vòng cuộn thứ cấp: Từ 1 1 2 2 1 2 2 1 362640. 432 220 U N UN N U = ⇒ = = = U N vòng Tương tự 3 3 1 1 4 4 1 1 242640. 288 220 122640. 144 220 UN N U UN N U = = = = = = vòng Như vậy để lấy ra được hiệu điện thế 12 V 24V và 36 V thì cuộn thứ cấp phải quấn tối thiểu 432 vòng. Vòng thứ 288 lấy ra thức chốt 1, vòng 432 lấy ra chốt 2. Như vậy U02 = 36 V U01 =24V và U12 = 12 V * Đặc biệt, có thể ghép 2 cuộn sơ cấp và thứ cấp làm 1 thì ta chỉ cần quấn 1 cuộn dây 2640 vòng.Vòng thứ 288 vẫn lấy ra chốt 1, vòng 432 lấy ra chốt 2 và vòng thứ 2640 lấy ra chốt 3. Đặt vào 2 chốt 0,3 hiệu điện thế 220 V thì ta cũng đạt được kết quả tương tự phần trên. Lúc này biến thế được gọi là biến thế tự ngẫu. Môn Vật Lý Thầy giáo Đỗ Lệnh Điện Trường PTTH Hà Nội – Amsterdam. 3 0 1 2 b)Tính tỷ số R/ZL: + Theo lập luận ở bài trước, khi cuộn sơ cấp có điện trở thì 1 1 2 2 U N K U N = = với 2 2640 160 160.35 207,4 432 27 27L K U KU= = ⇒ = = ≈ v + Ở mạch sơ cấp : 22 22 22 2 2 2 2 22 2 2 220 220207,4 207,4 1 1 220 2201 1 220 207,4 207,4207,41 220 L L L L L L LL L UI Z R Z ZU IZ R Z Z R R RR ZL ZZ Z = = + = ⇒ = ⇒ +      = = ⇒ + = = ⇒ = − ≈     +      +     0,35 II/ Tải điện đi xa: Trong thực tế, các nhà máy điện thường được đặt ở nơi có sẵn nguồn năng lượng sau đó điện năng được sản xuất ra lại được tải đi xa theo đường dây đến nơi tiêu thụ. Khi tải đi xa luôn có hao phí do toả nhiệt trên đường dây 2 2 2 PP I R R U =∆ = Để làm giảm hao phí : phải làm giảm R và tăng U. Ví dụ 3: Người ta tải đi xa 60.000 Kw bằng đường dây sao cho hao phí không quá 10% trong 2 trường hợp. a) Hiệu điện thế tải đi là 240 V b) Hiệu điện thế tải đi là 120 V+ Môn Vật Lý Thầy giáo Đỗ Lệnh Điện Trường PTTH Hà Nội – Amsterdam. Môn Vật Lý Thầy giáo Đỗ Lệnh Điện Trường PTTH Hà Nội – Amsterdam. Giải: P = 60.000 Kw =6.10 7 w, L =150 Km = 15.104 m, hao phí ∆P ≤ 10% P ≤ 6.106 w * Từ 2 2 2 10 1 100 10 P UP R P R U P ∆ = ≤ ⇔ ≤ * R ρ 21 10 l U s s P ≤ ⇒ ≥ 2 .10l P U ρ a) U =220V 8 4 7 2 2 2 1,6.10 .15.10 .10.6.10 25 240 min 25 S m S m − ≥ = ⇒ = . Đây là kết quả vô lý mà thực tế không thể làm được một đường dây có tiết diện lớn như vậy. Sở dĩ có kết quả không thực tế như vậy là vì ta đã đặt ra một điều kiện không thực tế là tải điện đi xa bằng hiệu điện thế thấp 240V . Vậy không thể tải điện đi xa bằng hiệu điện thế thấp. b) U = 120KV = 12.104 V ( ) 8 4 7 4 2 2 24 2 1,6.10 .15,10 .10.6.10 10 1 12.10 min 1 S m S cm −≥ = ⇒ = cm= Đường dây này là thực tế, dễ dàng thực hiện được. Vậy tải điện đi xa phải dùng hiệu điện thế cao. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP VỀ NHÀ. 1. Tại sao máy biến thế phải có lõi sắt? 2. Có thể dùng máy biến thế để tăng hiệu điện thế của 1 chiếc pin được không? 3. Làm các bài tập trong bộ đề luyện thi đại học : 9(2), 38(2), 59 (2), 11 (2).